Bagaimana panas dapat terbentuk pada generator dan motor listrik?

Dapat dikatakan semua peralatan mesin ciptaan manusia tidak mampu menghasilkan efisiensi 100%, alias sempurna. Alat konversi energi apapun tidak ada yang mampu mencapai efisiensi sempurna tersebut. Mesin bensin mobil misalnya hanya mampu menyentuh efisiensi  25-30% saja, sedangkan mesin diesel dengan sistem turbocharger juga hanya mampu mencapai efisiensi maksimal 50%. Kerugian terbesar dari mesin mobil adalah terbuangnya sebagian besar panas hasil pembakaran ke sistem pembuangan (knalpot/exhaust), oleh karena itulah penggunaan sistem turbocharger sangat membantu mengurangi kerugian panas tersebut (baca artikel berikut mengenai turbocharger).

Mesin konversi energi lainnya seperti motor dan generator listrik, juga dapat dipastikan tidak pernah efisien sempurna. Motor dan generator listrik juga memiliki kerugian panas yang terbuang sia-sia ke ruang sekitar. Satu pertanyaan menarik muncul di sini, yakni bagaimana bisa sebuah mesin yang tidak melibatkan energi panas dalam proses konversi energinya, dapat menghasilkan kerugian berupa panas? Jika sebuah motor bakar membuang panas ke knalpot, ya wajar saja, karena motor bakar bertugas merubah energi panas menjadi gerak. Lalu bagaimana dengan motor maupun generator?

Diketahui ada beberapa fenomena yang saling mangaitkan antara arus listrik, tahanan kawat, kumparan, medan magnet, dan panas. Fenomena-fenomena tersebut antara lain adalah Copper Loss (kerugian tembaga), Hysterisis Loss, dan Eddy Current Loss. Bagaimana proses terjadinya kerugian-kerugian tersebut akan kita bahas lebih detail pada kesempatan kali ini.

Copper Loss

Semua kawat konduktor yang teraliri arus listrik akan selalu menghasilkan panas. Nilai energi panas tersebut berbanding lurus dengan arus yang melalui konduktor, dan juga dengan nilai tahanan konduktor tersebut. Semakin besar arus listrik ataupun tahanan kawat, maka akan semakin besar pula kerugian panas yang dihasilkan. Tidak terkecuali kawat konduktor yang membentuk lilitan seperti pada kumparan generator ataupun rotor, selama ada arus listrik yang mengaliri kumparan tersebut, maka panas juga pasti akan terbentuk.

Rumusan dari copper loss adalah:

copper loss (watt) = I2 . R . t

Dimana:

I = arus listrik yang melewati kawat (A)

R = tahanan kawat konduktor (Ω)

t = lama arus listrik melintasi konduktor (s)

 

Hysterisis Loss

Jika copper loss adalah kerugian pada kumparan kawat yang berkaitan dengan arus listrik yang mengalir padanya, lain halnya dengan hysterisis loss. Hysterisis loss adalah kerugian panas yang diakibatkan oleh karakteristik dari logam inti kumparan kawat (armature/angker). Membahas sedikit mengenai angker kumparan, komponen ini merupakan logam inti yang dililiti oleh kawat kumparan. Sehingga jika ada arus listrik yang mengalir pada kumparan kawat, maka logam angker yang berada di dalam lilitan kawat akan berubah menjadi magnet. Pada saat generator ataupun motor listrik bekerja, partikel-partikel magnet di dalam logam inti akan berusaha terus-menerus mengikuti (atau diikuti) medan magnet putar (baca artikel prinsip kerja motor listrik berikut). Gerakan partikel logam inti secara terus-menerus tersebut mengakibatkan gesekan molekular. Sehingga tentu hal ini mengakibatkan panas, secara spesifik menjadi kerugian panas. Fenomena inilah yang disebut sebagai hysterisis loss pada generator.

 photo chargingg.jpg

Satu metode umum yang digunakan untuk meminimalisir panas yang terbentuk pada logam angker akibat dari hysterises loss, adalah dengan membagi logam inti menjadi beberapa lembaran. Lembaran-lembaran logam inti tersebut didesain sedemikian rupa sehingga jika disatukan akan menjadi satu logam inti utuh. Metode ini secara signifikan meminimalisir gesekan molekular yang terjadi pada logam inti karena bentuk lembaran ini seakan-akan menghalangi partikel inti logam untuk tidak dengan mudah "berpindah tempat" dari lembaran satu ke yang lainnya.

Eddy Current Loss

Sesuai dengan Hukum Faraday, setiap bahan konduktor yang memmotong garis gaya medan magnet, akan timbul arus listrik di dalam konduktor tersebut. Tidak terkecuali logam angker di dalam kumparan motor ataupun generator listrik, di dalam logam inti tersebut juga akan terinduksi arus listrik yang mengikuti medan magnet penyebabnya. Arus listrik inilah yang dinamakan dengan arus eddy (Eddy Current). Arus eddy ini akan terdisipasi menjadi kerugian panas (Eddy Current Loss) dan keluar ke ruang sekitarnya. Untuk lebih jelasnya mari kita perhatikan ilustrasi berikut.

 photo Eddy current.jpg
Credit: Wikipedia: Eddy Current

Gambar di atas adalah sebuah lempengan logam yang sedang bergerak dengan kecepatan V ke arah kanan, serta sedang melewati sebuah medan magnet B. Dengan menggunakan kaidah tangan kanan Fleming, maka dengan amat mudah kita dapat menentukan arah arus listrik yang terbentuk pada lempengan logam tersebut adalah mengarah menjauhi kita dan berada tepat di tengah-tengah medan magnet (garis-garis merah pada lempengan yang saling sejajar, tegak lurus dengan arah medan magnet dan kecepatan). Namun kenyataan yang terjadi adalah belum lengkap, sebab sebenarnya arus listrik yang terbentuk di awal pertemuan antara medan magnet dan lempengan logam, membentuk arus melingkar dengan arah yang berlawanan dengan putaran jarum jam (lingkaran-lingkaran merah I sebelah kiri). Sedangkan di ujung akhir pertemuan antara medan magnet dengan lempengan logam terbentuk arus listrik yang melingkar yang searah dengan arah putaran jarum jam (lingkaran-lingkaran merah I sebelah kanan). Jika dua lingkaran arus ini digabungkan, maka arah arus listrik di area perpotongan antara medan magnet dengan lempengan logam adalah tetap menjauhi kita. Inilah yang dinamakan dengan Eddy Current.

Arus Eddy, seperti halnya dengan copper loss, akan menimbulkan kerugian panas. Nilai kerugian panas akibat arus Eddy ini dapat dihitung menggunakan rumusan berikut:

P=\dfrac {\pi ^{2}B_{p}^{2}d^{2}f^{2}}{6k\rho D}

Dimana P adalah kerugian per unit massa (W/kg), Bp adalah nilai maksimum medan magnet (T), d adalah ketebalan lempengan logam atau diameter kawat (m), adalah frekuensi (Hz), k adalah nilai konstanta 1 jika lempengan besi dan 2 jika kawat tipis, ρ adalah nilai resistifitas material (Ω m), dan adalah massa jenis material (kg/m3).

Referensi: Power Electric BlogWikipedia: Copper LossWikipedia: Eddy Current.